High Side N-Kanal Mosfet Schalter - bisschen Langsam beim ausschalten

[alexander_ro]

Hallo,

für meine Heizung brauche ich um die Glühkerze mit 8V und 8,5A zu Schalten und zu regeln einen Mosfet Schalter. Meine Idee (siehe Schaltplanfoto unten) funktioniert schon nur wird der Mosfet mit einem kleinen Kühlblech nach einigen Minuten doch sehr warm. Nach meinen Messungen braucht die Schaltung zum ausschalten des Mosfet etwa 150us was doch recht viel ist. Schaltfrequenz ist ca 1Khz.

Ich bin mir jetzt nicht sicher ob man diese Schaltung noch Optimieren kann?

Oder muss ich das mit zwei Halbbrücken machen eine dann an 3,3-5V des MC und die andere dann an der 24V Schaltspannung?

Grüße
Alexander

Bild hier  

[Siro]

Hallo Alexander,
ich weis jetzt nicht genau wo ich anfangen soll, aber da sind so einige Dinge:
Fangen wir an mit dem Mosfet Transistor selbst:

Der kann laut Datenblatt 34 Ampere.
Das klingt erstmal richtig gut, aber man muss die Verlustleistung betrachten.
Bei "guter" Ansteuerung des Gates hat er einen maximalen Übergangswiderstand
zwischen D(Drain) und S(Soure) im Datenblatt "RdsOn" von 32mOhm.

Wenn 8,5 Ampere Strom fließen, dann fallen an diesem RDson U=I*R ==> 8,5*0,032Ohm = 0,272 Volt ab.
um nun auf die Verlustleistung zu kommen nehmen wir die 0,272 Volt und multiplizieren mit dem Strom 8,5 Ampere.
Das sind dann 2,312 Watt. Und das ist eine "ganze Menge" Wärme die abgeführt werden muss.
Fazit:
Egal, wie Du die Schaltung der Ansteuerung auch änderst, es gilt 2,3 Watt zu verheizen.
Mit einem entsprechenden Kühlkörper sollte das dennoch ohne Probleme möglich sein.

Einen N-Channel als High Side Schalter (Last liegt an Source nach Masse) zu verwenden ist eher ungünstig
da Du Probleme bekommst das Gate entsprechend hoch zu ziehen.
Daher vermutlich auch deine zusätzlichen +24 Volt, die ich Anfangs garnicht verstanden hatte.
Ich vermute jedoch das hast Du gemacht, da die Glühkerze mit einem Pin fest auf Masse (Chassis) liegt.
Da wäre dann eher P-Channel Mosfet angesagt, die haben jedoch meist einen noch höheren On Widerstand.
Aber auch hier gibt es recht niederohmige.

Deine beiden Transistoren BC516 und BC517 sind Darlington Typen, diese haben extrem hohe Stromverstärkungen
und gehören normalerweis da nicht rein. Funktionieren aber auch.

Die Gatespannung bei deiner Schaltung für den Mosfet liegt meiner Meinung nach ausserhalb des erlaubten Bereichs.
330 Ohm zu 1K an 24 Volt, da müssen so ca. 18 Volt dann am Gate liegen, laut Datenblatt dürfen es aber nur 10 Volt sein.

Ich würde die Schaltung eher wie folgt aufbauen:


für den P-Channel Mosfet SUB75P03-07 gibt es sicher auch andere Alternativen, hatte nur grad diesen "niederohmigen" gefunden.
Du kannst auch den IRF4905 nehmen (mit Kühlkörper) oder auch 2 Stück parallel schalten um die Leistung zu verteilen.
Parallelschalten kannst Du im übrigen auch mit deinem Mosfet.

Siro

[alexander_ro]

Danke für die ausführliche Erklärung.

Das mit dem N-Kanal war schon Absicht ich wollte mal so eine Schaltung bauen um zu sehen wie das funktioniert. Deshalb auch kein fertiger IC. Ich würde das an andere Stelle auch noch brauchen dann aber als Halbbrücke mit zwei N-Kanal Mosfet. Die Transistoren waren gerade die einzigen die ich da hatte ... ich dachte die hohe Stromverstärkung würde beim Schalten nicht schaden.

Das mit der Verlustleistung stimmt schon mir kommt es aber so vor das er wärmer wird als mit den 2,3 Watt zu erwarten wäre. Deshalb habe ich angenommen es würde an dem langsamen ausschalten liegen.

Die 24 Volt kommen von einem Schaltregler der die aus den 12 Volt macht die kann man einstellen. Ja das mit der Gate Spannung stimmt die ist zu hoch das ist mir auch schon aufgefallen. Ich habe da aber nur 11 Volt gemessen. Muss man da nicht die 8 Volt Spannungsabfall an der Last noch abziehen? Das dann noch 11 übrig bleiben liegt an der aktuellen Ansteuerung die Spannung an der Glühkerze ist im Moment nur 7 Volt. Ich habe da erst mal ein bisschen Abstand als Sicherheit gelassen und die glüht auch so gut.

[Siro]

Moin Alexander,

Muss man da nicht die 8 Volt Spannungsabfall an der Last noch abziehen?

Ja, da hast Du recht, weil die Last ja in deiner Schaltung im Sourcezweig liegt, mein Fehler...

Die hohe Stromverstärkung tut nicht weh, ich wunderte mich nur.

Pro Watt erwärmt sich der Transi (ohne Kühlung) um rund 60 Grad wenn ich das richtig gelesen habe.
Bei 2,5 Watt würde er ohne Kühlung das nicht lange überleben.
Ein Problem kommt noch dazu: je wärmer er wird desto schlechter leiter er und schiebt sich quasi selbst ins Nirwana.

Es ist also ratsam Mosfets mit sehr geringem RDSon zu verwenden, dann brauchst Du eventuell nichtmal einen Kühlkörper.

Warum das jetzt langsam schalten soll, kann ich mir momentan nicht erklären, der Mosfet könnte zumindest wesentlich schneller schalten.
Das passiert eigentlich nur wenn die Gatekapazität nicht schnell genug auf bzw. entladen wird.
Je niederohmiger die Mosfets werden, desto höher wird leider die Gatekapazität.
Dieser Kondensator (Gate) läd sich ja über die Vorwiderstände auf und während er irgendwann "langsam" leitend wird (der Kondi voll wird)
hat er noch einen sehr hohen Widerstand zwischen Drain und Source, der dann erst langsam immer niedriger wird.
Genau in dieser Phase fällt da natürlich wesentlich mehr Spannung zwischen Drain und Source ab, was ihn aufheizt,
Das gleiche passiert beim Ausschalten, je schneller er das Gate aufl/entaden kann desto besser.
Da benötigt man teilweise sogar richtige Gatetreiber damit die Umladung schnell genug erfolgen kann,
wobei jetzt 1 KHz nicht die Welt ist.

Siro

[White_Fox]

Für meinen Geschmack sind die Widerstände am Gate etwas zu dolle.

Aber warum er langsam schalten soll verstehe ich auch nicht, jedenfalls nicht anhand der Zeichnung. Bist du dir sicher, daß du das auch genaus so verdrahtet hast? Und woher weißt du, daß er langsam schaltet? Hast du das oszillographiert?

[alexander_ro]

Mit den Widerständen habe ich ein wenig Experimentiert das war bisher das beste Ergebnis. Was ich noch machen muss die 24V etwas niedriger weil wie oben Siro richtig bemerkt hat ist die Spannung am Gate noch ein bisschen hoch. Wobei wenn die Glühkerze eingeschaltet ist die Spannung 12V ein bisschen zusammenbricht. Dann ist die Spannung am Gate auch nicht mehr zu hoch. Die Basis Vorwiderstände sollten so ca. 5mA Strom fliesen lassen. Ich dachte das wäre nicht falsch weil die Transistoren ja nicht so arg viel Strom schalten müssen.

Ja gemessen. Ist ja nicht so schwierig. 200us pro Kästchen und die Ausschaltflanke am Mosfet braucht fast eins.

Ja das ist so verdrahtet habe ich schon mehrmals kontrolliert.

[Klebwax]

. Ich habe da aber nur 11 Volt gemessen. Muss man da nicht die 8 Volt Spannungsabfall an der Last noch abziehen?

Die Spannung, um die es geht heißt Ugs, lang gesprochen "Spannung zwischen Gate und Source". Damit ist klar, wo man messen muß, zwischen Gate und Source. Was kann da im Extremfall passieren? Der FET ist aus, an beiden Anschlüssen der Glühkerze liegen 0V, damit auch an der Source des FETS. Jetzt wird das Gate auf 24V angehoben, damit liegenn in diesem Moment 24V zwischen Gate und Source. Da reicht Worstcase weniger als eine µs um den FET zu killen.

Die zusätzliche Spannung zu Ansteuerung des N-FETs muß also an die Source des FETs und nicht an die positive Versorgung angekoppelt werden. Dann ist garanitiert, daß unabhängig vom Schaltzustand des FET bzw. dem Strom durch die Last der FET immer sauber angesteuert wird. Ein normaler Aufwärtswandler leistet das aber nicht, dessen Ausgang bezieht sich auf GND. Fertige FET-Treiber verwenden daher eine Bootstrapschaltung oder eine gegen GND schwebende Ladungspumpe.

Das mit dem N-Kanal war schon Absicht ich wollte mal so eine Schaltung bauen um zu sehen wie das funktioniert. Deshalb auch kein fertiger IC

Dieser Ansatz ist natürlich ehrenwert.

Ich nehmen für solche Anwendungen integrierte High-Side-Switches wie den IR3314 oder seine moderneren Brüder. Der nimmt einem nicht nur die nicht ganz triviale Ansteuerung ab, sondern schützt sich auch noch selbst gegen Übertemperatur und Überstrom.

MfG Klebwax

[Holomino]

TO: Wo hast Du eigentlich gemessen? Gate vom FET oder an der Glühkerze?

[Siro]

@Klebwax: jo, das habe ich auch noch garnicht bedacht.
Im Einschaltmoment liegen da wirklich 24 Volt zwischen Gate und Source.

zum IR3314:
Die Protected Fets sind natürlich super, ich habe auch schon ähnliche Typen eingesetzt.
Meine BSP75 waren wirklich so ziemlich unkaputtbar. Wobei das "Low Side" waren

Leider trat dann ein Problem in Erscheinung, dass sie für PWM Ansteuerung ungeeignet sind.
Durch die Schutzbeschaltung sind sie leider relativ langsam.

Mit 1KHz kannst man diese Teile nicht mehr betreiben.
Beim IR3314 wird 200 Hz angegeben
bei meinem BSP Typ waren es sogar nur 100 Hz

Wenn ich das richtig verstanden habe, möchte Alexander mit 1 KHz eine Regelung programmieren.
Da muss man dann genau schauen welcher Typ noch geeignet ist.

Siro

[alexander_ro]

Das Messgerät sagt was anderes es liegen nur die schon oben genannten 11 V maximal am Mosfet Gate an. Auch zu viel ist mir bekannt und muss ich noch ändern. Der Mosfet ist auch nicht der Meinung das er in us kaputt sein möchte. Soweit widerspricht die Realität der Theorie. Weder der PNP noch der Mosfet schalten in unendlich kurzer Zeit. Daher steigt mit dem steigen der Spannung am Gate die Spannung an der Glühkerze und somit erreicht man nie den Zustand das da wirklich 24 Volt anliegen würden.

Ich nehme keinen IC weil die High Side Treiber alle die gefunden habe keine 100% ein können. Ausserdem möchte ich mal wissen wie das geht.